二足歩行ロボット研修 二足歩行ロボット研修(kora編)

二足歩行ロボット研修(kora編)[4] システム構成の検討

こんにちは。koraです。

今回は、ざっくりとロボットのシステム構成を考えてみました。
構成図は次の通りです。

アクチュエータ

アクチュエータはDynamixelサーボモータXM540-W150-Rです。これを18個使用することを考えています。

センサ

センサはRealSense D435iのみを使用します。前回、内蔵のIMUの値を取得できることがわかったので、ロボットの姿勢はここから取得しようと思います。

UI

自律動作するロボットを作る予定ですが、動作の開始と停止など、ある程度の操作はできるようにしたいです。操作にはBluetoothでつながるワイヤレスコントローラを使いたいと思います。また、Wi-FiでPCと接続してデバッグできるようにします。

電源

電源にはこちらの3セルLiPoバッテリーを使用します。定格電圧11.1 V、容量1000 mAh、定常放電20 Cなので、定常的に1000 mA × 20 = 20 A、11.1 V × 20 A = 222 W出力できます。

まずはアクチュエータの消費電流を考えましょう。スペックの特性表を見ると、消費電流は以下のとおりです。
0.60 N・m (6.12 kgf・cm) のとき0.7 A
3.00 N・m (30.6 kgf・cm) のとき2.1 A
5.28 N・m (53.8 kgf・cm) のとき4.2 A

ロボットの正確な寸法・重量は未定ですが、とりあえず脚の軸間距離10 cm・上半身重量5 kg(下半身重量は無視)とします。極端なケースとして片足スクワットをさせる場合、一番しゃがみこんだ姿勢を維持するだけで膝のサーボに最大50 kgf・cmのトルクがかかります。このとき、特性表上の最大トルク53.8 kgf・cmで脚を延ばすと、0.76 m/s^2で鉛直上向きに加速します※。サーボモータには4.2 Aの電流が流れるため、約47 W消費すると考えられます。

次にRaspberry PiとRealSenseの消費電流を考えます。
Raspberry Pi公式のFAQを見ると、Raspberry Pi 4 Model Bの電源は5 V、3.0 Aが推奨されています。このうち最大1.2 AをUSBポートから出力できるそうです。RealSense D435iの消費電流は最大700 mAですのでUSBポート出力に収まります。Raspberry PiとRealSenseは合わせて5 V × 3 A = 15 Wを確保すれば良さそうです。

アクチュエータとセンサとボードを合わせても電源の222 Wに収まりそうです。というわけで、この構成で設計に取り掛かりたいと思います。


50 kgf・cm = 4.9 N・m
5.28 N・m – 4.9 N・m = 0.38 N・m
0.38 N・m ÷ 0.1 m = 3.8 N
3.8 N ÷ 5 kg = 0.76 m/s^2
ただし、ギアの摩擦は無視。

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